陳超 劉敬 李向陽(yáng)

摘要：該設(shè)計(jì)開發(fā)了一款基于STC12C5A60S2控制器的智能甲醛殘留檢測(cè)系統(tǒng)，其利用MS1100氣體傳感器，通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)處理采樣數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示甲醛濃度，具有超濃度時(shí)報(bào)警功能。系統(tǒng)的最大引用誤差為1.98%。系統(tǒng)增加了無(wú)線模塊，使檢測(cè)環(huán)境與操作人員分離，既能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控，又保障了操作人員的人身安全。

關(guān)鍵詞：甲醛；殘留；檢測(cè)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）06-0154-03

1 研究背景

住房家居是21世紀(jì)最重要的建設(shè)之一。家裝中的室內(nèi)裝修板材、裝飾材料、各種家具產(chǎn)品會(huì)釋放甲醛、苯基芳香族化合物等化學(xué)有害成分，造成身體上的損害。甲醛濃度檢測(cè)一方面減少了人們?nèi)胱〉念檻]，同時(shí)也減少了因甲醛而引起的疾病[1]。

在我國(guó)，空氣甲醛濃度的標(biāo)準(zhǔn)為低于每立方米0.1mg（約為0.13ppm）[2]。因此所設(shè)計(jì)的檢測(cè)計(jì)能檢測(cè)到0.1mg變化范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)變化才能使檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠和有效，故在設(shè)計(jì)之初所選的傳感器就必須有很大的靈敏度。如果通過(guò)無(wú)線控制，使檢測(cè)環(huán)境與操作人員分離，既能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控，又保障了操作人員的人身安全。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及器件選型

2.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)構(gòu)成為：檢測(cè)元件→信號(hào)調(diào)理→A/D轉(zhuǎn)換→控制器→顯示器。具體思路如下：甲醛傳感器電壓輸出經(jīng)前置電路輸出為模擬量，并通過(guò)減法電路濾波；濾波后的信號(hào)送入16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7705；A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量作為輸入控制量；用查表和線性插值法計(jì)算并輸出濃度值；通過(guò)無(wú)線控制系統(tǒng)將濃度值有選擇的顯示在液晶上。

2.2主要芯片選擇

2.2.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705

考慮到系統(tǒng)分辨率的要求，本設(shè)計(jì)選用16位AD進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。AD7705是完整的16位低成本Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），用于直流測(cè)量和低頻交流測(cè)量應(yīng)用，其具有低功耗（3V時(shí)最大1mW）特性，因而能用在環(huán)路供電、電池供電或本地供電的應(yīng)用中。片內(nèi)可編程增益放大器提供從1至128的增益設(shè)置，無(wú)需使用外部信號(hào)調(diào)節(jié)硬件便可接受低電平和高電平模擬輸入[3，4]。AD7705擁有兩個(gè)差分通道，在定制比率應(yīng)用器件時(shí)，差分基準(zhǔn)電壓輸入還能提供極大的靈活性。

2.2.2傳感器

經(jīng)過(guò)特性和靈敏度比較，選取了市面上已經(jīng)研制好的MS1100傳感器。該傳感器小巧方便，可以測(cè)量多種有害化學(xué)氣體的濃度。

MS1100傳感器是一種半導(dǎo)體式傳感器，通過(guò)導(dǎo)電性能的變化來(lái)引起電壓輸出的變化，其工作原理基于氣體的物理化學(xué)性質(zhì)。比如，當(dāng)甲醛呈氣態(tài)時(shí)，其分子有一定大小，當(dāng)一定量的甲醛氣體被MS1100捕獲后，甲醛就會(huì)填充MS1100中的空穴，使MS1100的導(dǎo)電性能提升。通常情況下，傳感器在5V電壓下工作，適合用單片機(jī)控制器控制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1傳感器輸出減法電路設(shè)計(jì)

MS1100傳感器在濃度為0ppm的附近，有一個(gè)很大的電壓躍變。由于在該濃度時(shí)，甲醛對(duì)人體的傷害可以忽略，數(shù)據(jù)測(cè)量并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性意義，因此此段數(shù)據(jù)完全可以忽略不計(jì)，可以考慮對(duì)該數(shù)據(jù)段進(jìn)行濾除。數(shù)據(jù)的濾除主要有兩種，即通過(guò)硬件濾波和軟件濾波。為了減少軟件負(fù)擔(dān)，提高軟件運(yùn)行效率，本設(shè)計(jì)采用硬件濾波，即通過(guò)減法器，將該段數(shù)據(jù)直接濾除。圖2是前置減法電路的原理圖，所用的放大器為NE5532，工作電壓為±9V，傳感器模擬信號(hào)輸出首先經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓反向器，而后與一個(gè)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行加法運(yùn)算，再通過(guò)一個(gè)反向器輸出。由于上一步中輸入信號(hào)已經(jīng)取反，因此就如同減法運(yùn)算。

3.2單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的核心。單片機(jī)硬件電路主要分為最小系統(tǒng)和I/O口配置。最小系統(tǒng)為晶振電路、復(fù)位電路和電源電路。只有在最小系統(tǒng)配置正確時(shí)，單片機(jī)才能正常工作。I/O口是單片機(jī)的外設(shè)端口，用于單片機(jī)與外部器件進(jìn)行數(shù)據(jù)溝通，是單片機(jī)的主要功能。單片機(jī)的I/O口配置如圖3所示。

3.3 單片機(jī)主要外設(shè)電路設(shè)計(jì)

3.3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的原理圖如圖4所示。其中，2、3引腳接有2.4576MHz的晶振；9引腳為參考電壓端，本設(shè)計(jì)參考電壓為2.5V，取自AD780電壓基準(zhǔn)芯片輸出； 1、5、12、13、14控制引腳與單片機(jī)相連；4腳（CS）直接接地，表示片選；電源端接入電容是為了濾除雜波。如前所述，傳感器在0～50ppm時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓0.64-4.48V經(jīng)2V減法電路和濾除0～1ppm后變?yōu)?.10～2.48V，直接作為AD的輸入，正好符合AD的輸入范圍，因此本設(shè)計(jì)無(wú)需采用放大電路。

3.3.2狀態(tài)顯示和報(bào)警電路

為了在檢測(cè)報(bào)警環(huán)節(jié)中多一分保障，系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。檢測(cè)時(shí)若蜂鳴器響起，則表示已經(jīng)超過(guò)甲醛安全濃度極限值，同時(shí)紅燈亮，警示檢測(cè)人員。圖5為聲光報(bào)警原理圖。

3.3.3無(wú)線控制電路

為了使檢測(cè)更安全、更方便，本系統(tǒng)加入了無(wú)線模塊。該無(wú)線模塊（SC2272）已經(jīng)通過(guò)譯碼器將無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，無(wú)須進(jìn)行繁瑣的對(duì)頻、解碼等操作，可直接送入單片機(jī)，調(diào)取相關(guān)程序和指令，實(shí)用十分方便。無(wú)線控制的控制引腳如圖6所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)流程

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件由主程序，DS1302子程序，液晶顯示子程序、AD轉(zhuǎn)換子程序、聲光報(bào)警子程序、按鍵掃描中斷服務(wù)程序（無(wú)線模塊）等構(gòu)成。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，然后AD轉(zhuǎn)換，顯示出甲醛濃度值，超過(guò)限值則發(fā)出聲光報(bào)警，并在閑置時(shí)間顯示時(shí)鐘。系統(tǒng)流程如圖7所示。

4.2定標(biāo)流程

MS1100傳感器輸出特性為非線性，而A/D轉(zhuǎn)換器和儀表放大器都是線性的，因此需要通過(guò)軟件將非線性數(shù)據(jù)用查表和線性插值法轉(zhuǎn)換為實(shí)際值。

5 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終結(jié)果為檢測(cè)室內(nèi)甲醛濃度。濃度測(cè)試是至關(guān)重要的。由于甲醛氣體具有毒性，不易購(gòu)買和實(shí)驗(yàn)，因此本設(shè)計(jì)首先通過(guò)電位器模擬甲醛濃度變化，而后采用室內(nèi)裝修過(guò)的木板等作為甲醛釋放源進(jìn)行測(cè)試，并與標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行比較?？梢愿鶕?jù)線性插值公式（1）查表計(jì)算。

6 總結(jié)

本設(shè)計(jì)描述了甲醛傳感器的輸出電路，減法濾波、AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以線性插值法處理數(shù)據(jù)，用液晶顯示出實(shí)時(shí)濃度值，可以遙控的方式控制運(yùn)行。本系統(tǒng)最大引用誤差為1.98%，滿足測(cè)量精度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬天，曾令平，羅張怡.室內(nèi)主要污染氣體甲醛TVOC的快速檢測(cè)方法評(píng)述[J].中國(guó)技術(shù)測(cè)試研究院，2004，9.

[2] 吳娜，王兢.甲醛氣敏元件的研制[J].傳感器技術(shù)，2005，24（10）：83-85.

[3] 孫蕾.用于聲表面波甲醛傳感器的相關(guān)系統(tǒng)研究[D].大連理工大學(xué)，2005.

[4] 李翠紅.分子篩吸附劑對(duì)甲醛分子吸附性能的研究[D].大連理工大學(xué)，2005.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】